Showtime для фотосинтеза

Используя уникальное сочетание наноразмерных визуализации и химический анализ, международная команда исследователей выявила ключевые шагом в молекулярном механизме воду расщепления реакции фотосинтеза, которая может помочь при разработке технологий использования возобновляемых источников энергии.

«Жизнь зависит от кислорода, что растения и водоросли отделилась от воды, как они делают это до сих пор остается загадкой, но ученые, в том числе и наша команда, медленно пилинг от слоев, чтобы получить в ответ», — сказал Vittal К. Yachandra, со-ведущий автор нового исследования, опубликованного в PNAS и химик, старший научный сотрудник отдела энергетики (МЭ США) Лоуренса в Беркли лаборатории (лаборатории Беркли). «Если мы сможем понять этот шаг из природного фотосинтеза, это позволило бы нам использовать эти принципы дизайна для создания искусственных фотосинтетических систем, которые производят чистым и возобновляемым источникам энергии из солнечного света и воды.»

С инструментом, который команда спроектированы и изготовлены, они проанализировали фотосинтетических белков с помощью рентгеновской кристаллографии и рентгеновской эмиссионной спектроскопии. Этот двойной подход, который команда впервые и были переработки за последние 10 лет, производит химический и структуры белка информация из того же образца одновременно. Изображение было выполнено с помощью рентгеновского лазера на свободных электронах (лазер XFEL) в LCLS в Национальной лаборатории SLAC, и в компании sacla в Японии.

«С этим приемом, мы получим общую картину того, как все белковые структуры динамически меняется и мы видим химические тонкости, происходящие на реакцию», — сказал со-ведущий автор Дзюнко Яно, химик, старший научный сотрудник в лаборатории Беркли молекулярной биофизики и комплексного Биоимаджинга (MBIB) отдела. «Рентгеновский лазер на свободных электронах производит очень яркий, короткие всплески рентгеновского излучения, которые позволяют не только анализировать белка при комнатной температуре, который является, как эти реакции происходят в природе, но также запечатлеть различные моменты в течение времени реакции масштаба».

Традиционные методы кристаллографии часто требуется образец белки должны быть заморожены; следовательно, они могут только создавать снимки статических белков. Это ограничение затрудняет для ученых, чтобы понять, насколько на самом деле ведут себя белки в живых организмах, потому что молекулы превращаться в различных физических состояниях при химических реакциях.

«Вода-расщепление реакции в фотосинтезе является циклическим процессом, который требует четырех фотонов и циклы из четырех стабильных государств», — сказал Яно. «Раньше мы могли только сфотографировать этих четырех государств. Но, взяв несколько снимков во времени, теперь мы можем представить себе, как одно состояние переходит в другое».

«Мы видели, очень красиво, как изменения структуры шаг за шагом, как она переходит из одного состояния в следующее состояние», — сказал Ян Ф. Керн, MBIB химик и соавтор. «Это очень интересно, потому что мы видим,» причина-следствие » и той роли, которую каждый движущийся атом играет в этом переходе.»

Николай К. Саутер, соавтор и MBIB вычислительная старший научный сотрудник, добавил: «По сути, мы пытаемся принять «кино» химической реакции. Мы добились большого прогресса, чтобы добраться до этой точки, с точки зрения нашей технологии, и наш вычислительный анализ. Работа нашего соавтор Пол Адамс и другие в MBIB имеет решающее значение для интерпретации XFEL и данных рентгеновского снимка. Но мы все еще должны получить другие кадры, чтобы увидеть, как реакция завершена, и фермент готов к следующему циклу».

Исследователи лаборатории Беркли надеются продолжить проект после того, как многие научные сайты, что вся международная команда опирается на … расположены в США, Японии, Швейцарии и Южной Кореи — работают нормально после пандемии COVID-19.

Керн отметил, что технологический этап, представленный в этой статье извлекла огромную пользу из разнообразного опыта авторов из ускорителе SLAC, Уппсала и Умео университетов в Швеции, университет Гумбольдта в Германии, и от возможности пяти ДОУ управление науки пользователей объектов: Стэнфордский синхротронного излучения источник света и LCLS в Стэнфордском университете, и продвинутый источник света, энергии сетевой наук и национальной энергетической научно-исследовательский вычислительный центр при лаборатории Беркли.

Другие лаборатории Беркли ученые, которые внесли вклад в данную работу входит: Ручира Чаттерджи, Луиза Лассаля, Кайл Д. sutherlin, так, «Ирис» Д. Янг, Sheraz Гюль, в Сик Ким, Филипп С. Саймон, Изабель Bogacz, Синди К. Фам, Николай Saichek, Трент Северный, Asmit Bhowmick, Роберт Болотовский, Дерек Мендес, Найджел В. Мориарти, Джеймс М. Холтон, Аарон С. Брюстер, и Дэвид Скиннер.

Это исследование было поддержано в первую очередь управление ДОУ науки и грантов от Национальных институтов здоровья.

сделать разницу: спонсорские возможности